3D-skannaaminen noudattaa yleisesti seuraavanlaista prosessikaaviota (Kuva 10).
Skannausdatasta saatava pistepilvi muodostetaan mesh-verkoksi, jonka jälkeen se tuo-daan CAD-ohjelmistoon. CAD-ohjelmistolla malliin luotuo-daan pintoja erilaisilla työkaluilla.
Lopullista CAD-mallia vertailemalla mesh-verkosta tehtyyn varmistetaan oikean geomet-rian säilyvyys.
Kuva 10. 3D-skannaamisen prosessikaavio (Laserdesign 2019).
3.1 Pistepilvi
Pistepilven avulla muodostetaan skannatusta kohteesta kolmiulotteinen malli. Pistepilvi (Kuva 11) muodostuu miljoonista yksittäisistä pisteistä, jotka sijaitsevat kolmiulotteisesti x-, y-, ja z-suunnassa.
Mittauksesta aiheutuva kohina, joka näkyy pistepilven yksittäisten pisteiden erottumi-sena keskijakaumasta, aiheuttaa mallin pinnan vääristymistä. Kohinaa vastaan on kehi-tetty erilaisia algoritmeja, jotka vähentävät sen määrää. Käytetystä algoritmista riippuen yleisimmät heikentävät pistepilven tarkkuutta terävien reunojen ja kulmien kohdalla, josta mitattava datamäärä on korkea. Tämä aiheuttaa lopullisessa mallissa terävien yksityis-kohtien puuttumista. (Sitnik & Karaszewski 2008.)
Kuva 11. Kappaleesta muodostettu pistepilvi (Europac3d 2019).
3.2 3D-mallin luonti
Pistepilven avulla muodostetaan mesh-verkko eli pintamalli kappaleelle, josta geometri-nen mittatarkkuus ilmenee. Mesh-pinta muodostetaan apuohjelman avulla, joka hyödyn-tää algoritmeja. Se on yleisimmin kolmioverkon muotoinen (Kuva 12), sillä se on kaikkein yksinkertaisin ja joustavin tapa muokata. (Guo, Ding, Jia & Yan 2018.) Tietokoneelle tallennettuna se tunnetaan STL-tiedostopääte-nimellä (Europac3d 2019).
Kuva 12. Kolmioverkon mallinen mesh-verkko. (Europac3d 2019).
Parametrinen (Kuva 13), lopullinen malli muodostetaan CAD-ohjelmistolla mesh-verkon avulla (Europac3d 2019). CAD-malli mahdollistaa skannatun kappaleen tarkan jäljentä-misen tai muokkaajäljentä-misen (Laserdesign 2019). Suunnittelutyön lopputuloksena saadaan täydellinen malli, joka sisältää kappaleesta esimerkiksi 2D-piirustukset, valmistustiedot ja kokoonpanopiirustukset (Europac3d 2019).
Kuva 13. Parametrinen malli (Europac3d 2019).
4 3D-SKANNAAMINEN
4.1 Artec Eva
Tässä työssä käytettiin Turun ammattikorkeakoulun strukturoidulla valolla toimivaa Artec Eva -3D-skanneria, jonka tekniset ominaisuudet on esitetty kuvassa 14. Skannausdatan editoinnissa käytettiin skannerin mukana tullutta Artec Eva Studio 13 -Professional-oh-jelmaa.
Kuva 14. Artec Eva (Artec 3D 2019).
4.2 Skannauskohteet
Skannauksissa kohteina olivat muovista ja silikonista valmistettu kaukosäädin (Kuva 15) ja 3D-tulostamalla valmistettu muovinen kappale (Kuva 16). Muita skannattavia kohteita olivat pahvimuki, toimistosermi sekä teräksestä valmistettu hitsattu kappale (Kuva 17).
Lopuksi yritettiin suorittaa laajempaa tilaskannausta.
Kuva 15. Kaukosäädin pöydällä skannattavana.
Kuva 16. 3D-tulostettu kappale.
Kuva 17. Teräksinen rakenne.
4.3 Skannauksen suoritus
Skannausta edeltäviä vaiheita olivat laitteen yhdistäminen tietokoneeseen, Artec Studio -ohjelmiston käynnistys ja skannausetäisyyden määrittäminen. Skannausetäisyyden op-timoimiseksi skanneri pitää asettaa sopivalle etäisyydelle tietokoneruudun näyttämän re-aaliaikaisen esikatselupalkin avulla. Käytön aloitus tapahtuu pitämällä laitetta kädessä ja painamalla skannaamisen aloittavaa painiketta. Tämän jälkeen kohde skannataan ”maa-laavin” liikkein. Kohteesta riippuen mallin muodostamiseen voidaan tarvita useampi eril-linen skannaus. Skannausdata piirtyy reaaliajassa tietokoneen näytölle, josta on helppo seurata, saadaanko tarvittavat pinnat ja yksityiskohdat skannattua. Skannausdatan val-mistuttua, yksi tai useampi skannaus yhdistetään toisiinsa kappaletta yhdistävistä piir-teistä otettujen pisteiden avulla. Ohjelmiston eri työkaluilla voidaan muokata dataa esi-merkiksi terävöittämällä, pehmentämällä, poistamalla ylimääräisiä alueita tai täyttämällä reikiä, jotka aiheutuivat skannausdatan puuttumisesta kyseiseltä alueelta.
Koeskannauksena käytettiin teräksestä valmistettua köysipyörää, jonka pintaa ei ollut käsitelty koneistuksen jälkeen. Skannattaessa kappaletta, kappaleen pinta heijasti lait-teesta lähtevää valoa voimakkaasti eikä talteen saatu data riittänyt muodostamaan muo-toja kappaleen keskeltä. Sama toistui skannattaessa rakenneteräksestä hitsatun t-liitos kappaleen päätyä, joka oli leikkaamisen vuoksi jäänyt kiiltäväksi. Sen sijaan rakenteen sivuprofiileista otetut skannaukset onnistuivat.
Teräksisen hitsatun kappaleen skannaaminen suoritettiin lattiaa vasten. Pinta ei heijas-tanut valoa eikä vastaavaa ongelmaa syntynyt kuin kirkkaita koneistettuja kappaleita skannatessa. Malli (Kuva 18) syntyi neljästä eri skannauksesta ja tallennettiin STL-muo-toon SolidWorks-ohjelmistolla avattavaksi.
Kuva 18. Skannatun kappaleen 3D-malli tarkastelussa SolidWorks-käyttöliittymässä.
Seuraavaksi suoritettiin skannaus valkoisesta pahvimukista. Itse skannaaminen oli no-peaa ja riitti, kun kappaleen skannasi kahdesti, kerran ulkopuolelta ja kerran sisäpuo-lelta. Malli oli hyvä ja siitä havainnoitui pahvinmukin reunalla oleva pyöreän taiteltu reu-nus.
Kaukosäädin skannattiin kahdessa eri osassa; päältä ja alta. Lopputuloksessa (Kuva 19) näppäimet ja terävät reunat pyöristyivät ja erottuivat huonommin fyysiseen malliin ver-rattuna.
Kuva 19. 3D-skannattu kaukosäädin.
Skanneria testattiin tilaskannaamisessa ja kohteeksi valikoitui toimistosermin pääty. Ser-mien pinnat olivat kangasta ja päädyt maalattua alumiinia. Skannausoperaatio sujui hel-posti ja skanneri keräsi herkästi dataa verrattuna teräksestä valmistettuihin kiiltäväpin-taisiin kappaleisiin. Malli (Kuva 20) muodostui kahdesta erillisestä skannauksesta. Mallin reunoilla erottuu kohinaa, joka näkyy myös 3D-tulostetun kappaleen skannauksessa (Kuva 21).
Kuva 20. Toimistosermin pääty.
Kuva 21. Kohinasta aiheutuvaa pinnan epävääristymistä.
Laitteella yritettiin skannata kokonainen tilaympäristö usealla eri skannauksella. Skan-naus kuitenkin epäonnistui. Tila koostui suurimmaksi osaksi kiiltävistä sekä maalatuista monimutkaisen muotoisista kappaleista ja sähköjohdoista. Syiksi muodostuivat paikoi-tuksen katoaminen ja skannausdatassa esiintyvä pinnan muodon reikiintyminen. Skan-natessa samanlaisena jatkuvaa pintaa, laite kadotti paikoituksensa ja alkoi monistaa jo aikaisemmin skannattuja muotoja (Kuva 22).
Kuva 22. Paikoituksen katoamisesta aiheutuva muotojen monistaminen.
4.4 Tulokset
Kiiltävät pinnat tuottivat ongelmia skannauksessa, joka näkyi laitteen häiriintymisenä.
Kappaleen pinnan käsittely esim. vaalealla mattamaalilla tai talkilla olisi voinut ehkäistä tätä ongelmaa ja parantaa lopputulosta. Vaalea väritys ja mattapinta toimivat skannauk-sessa parempana vaihtoehtona, sillä pahvimukin skannaukskannauk-sessa vältyttiin näiltä ongel-milta. Skannausalustasta heijastuneen valon määrällä saattaa olla myöskin vaikutusta.
Paikoituksen häviämisen ilmetessä on syytä miettiä, kannattaisiko kappale tai alue skan-nata useassa eri osassa. Työssä tehtävän tilan skannaaminen näin olisi tuottanut suuren määrän skannauksia eikä se siksi olisi enää ollut välttämättä kannattavaa ajallisesti. Pai-koituksen häviämiseen olisi myös voinut yrittää estää käyttämällä kohteen pintaan liimat-tavia paikoitustarroja.
Käyttäjällä on mahdollisuus vaikuttaa loppueditoinnilla kappaleen pintoihin etenkin kohi-nan poistamiseksi. Edellä mainituissa malleissa esiintyvä kohina johtuu käyttäjälähtöi-sestä editointivirheestä. Mahdollisimman siistiksi tehty mesh-pinta helpottaa kappaleen jatkokäsittelyä ja mittavirheiden minimoimista.
Varsinaista laitekohtaista mittausvirheiden tarkastelua ei voitu suorittaa, sillä se olisi vaa-tinut erillisen ohjelmiston, jolla olisi voitu tarkastella skannatun mallin mittapoikkeamia CAD-malliin tai työpiirustukseen verrattuna. Mallin mittatarkkuuteen vaikuttaa myöskin skannaustapa. Skannaukset kannattaisi suorittaa lähtemällä liikkeelle kappaleen keski-pisteestä kohti sen äärirajoja. Koska kappaleen keskikeski-pisteestä on lyhyempi matka koh-teen äärirajoille, on mittausvirhe pienempi kuin äärirajoilta toiselle edettäessä.
Mittojen todennukseen olleet työkalut olivat Artec Studion- ja SolidWorks-käyttöliittymien measurement-toiminnot. SolidWorks-ohjelmistossa saatu 3D-tulostetun kappaleen pi-tuus oli 85,2 mm ja työntömitalla mittaamalla 85,05 mm. Työpiirustuksessa 85,0 mm. 3D-tulostettu kappale tuotiin Solidworks-ohjelmaan kokoonpanona CAD-mallin päälle, josta silmämääräisellä tarkastuksella huomattiin, että skannatun mallin tarkkuus ja pinnan muodot eivät olleet riittävällä tasolla näin pientä kappaletta skannatessa.